Sinh học tế bào ( phần 33 ) Chu kỳ tế bào và nguyên phân Nguyên phân (mitosis) là quá trình phân chia tế bào trong đó các tế bào con được tạo ra có số lượng nhiễm sắc thể giống với các tế bào bố mẹ. Kiểu phân bào này đặc trưng cho các tế bào soma, kể cả các tế bào sinh dục (2n) ở pha sinh sản của sự phát sinh giao tử ở các động-thực vật (mục IV.2), và xảy ra theo cấp số nhân với công bội bằng 2, nghĩa là: từ một tế bào ban đầu trải qua k lần nguyên phân liên tiếp sẽ cho ra 2 k tế bào giống nó. Nhờ vậy mà cơ thể lớn lên và các tế bào trong cơ thể thường xuyên được đổi mới. Quy luật phân bào này được minh họa đơn giản như sau: 1→ 2 → 4 → 8 → 16 → 32 → 64 → 128 → 256 → 512 → 1. Chu kỳ tế bào (cell cycle) Quá trình nguyên phân lặp lại theo chu kỳ như vậy được gọi là chu kỳ nguyên phân hay chu kỳ tế bào (cell cycle). Nguyên phân là một phần của toàn bộ chu kỳ tế bào đối với các tế bào trải qua nguyên phân (như hợp tử, các tế bào phôi, các tế bào thuộc các mô sinh trưởng hay mô phân chia; hình 3.7a). Nói chung, một chu kỳ tế bào bao gồm hai giai đoạn chính là nguyên phân (ký hiệu: M), là một phần tương đối nhỏ của toàn bộ chu kỳ (a) (b) Hình 3.7 (a) Sự phân chia của các tế bào chóp rễ hành tây (Allium cepa). (b) Sơ đồ tổng quát của một chu kỳ tế bào. tế bào, và phần còn lại của chu kỳ tế bào gọi là kỳ trung gian (interphase). Gọi là kỳ trung gian bởi vì nó nằm giữa hai lần phân chia liên tiếp. Đây là giai đoạn tế bào diễn ra các hoạt động chuyển hóa cao độ, tổng hợp và tái bản vật chất di truyền - DNA, chuẩn bị tích cực cho tế bào bước vào nguyên phân. Nó được chia thành ba phần, gọi là G 1 , S và G 2 . Như vậy, theo nguyên tắc, một chu kỳ tế bào bao gồm bốn giai đoạn theo thứ tự sau đây (hình 3.7b): (1) G 1 (first gap) = giai đọan khởi đầu trong đó tế bào sinh trưởng, chuyển hóa và chuẩn bị cho sự tái bản bộ gene; (2) S (DNA synthesis) = tổng hợp DNA (về chi tiết, xem chương 5); (3) G 2 (second gap) = chuẩn bị cho quá trình nguyên phân; và (4) M = nguyên phân (mitosis). Thời gian của các giai đoạn khác nhau trong chu kỳ tế bào khác nhau một cách đáng kể, tùy thuộc vào từng loài, từng kiểu tế bào, nhiệt độ và các nhân tố khác. Chẳng hạn, thời lượng tương ứng với bốn giai đoạn G 1 , S, G 2 và M đối với các tế bào máu trắng của người đang phân chia là 11, 7, 4 và 2 giờ (thời gian toàn bộ là 24 giờ). Khi một hợp tử vừa được hình thành hay một cơ thể đang sinh trưởng, chu kỳ này được lặp lại nhiều lần để hình thành nên một cá thể với hàng tỷ tế bào. Một số kiểu tế bào trưởng thành, như các tế bào thần kinh và tế bào cơ vẫn giữ nguyên ở kỳ trung gian, thực hiện các chức năng đã được biệt hóa trong cơ thể cho đến lúc chết và không bao giờ phân chia nữa; giai đoạn đó được gọi là pha G 0 . Tuy nhiên, một số tế bào có thể từ pha G 0 quay lại đi vào chu kỳ tế bào. Mặc dù hầu hết các tế bào lympho trong máu người ở pha G 0 , nhưng nếu có sự kích thích thích hợp như khi bắt gặp kháng nguyên phù hợp chẳng hạn, chúng có thể bị kích thích để quay lại chu kỳ tế bào. Có thể nói, G 0 không đơn thuần chỉ ra sự vắng mặt của các tín hiệu cho nguyên phân mà là một sự ức chế hoạt tính của các gene cần thiết cho nguyên phân. Các tế bào ung thư thì không thể đi vào pha G 0 và được định trước để lặp lại chu kỳ tế bào một cách vô hạn (xem chương 5). Hình 3.8 Sơ đồ biểu diễn các kỳ của nguyên phân và chu kỳ của nó. 2. Nguyên phân (mitosis) Nguyên phân tự nó có thể chia làm bốn giai đoạn khác nhau, diễn tiến theo một trình tự như sau: kỳ trước (prophase), kỳ giữa (metaphase), kỳ sau (anaphase) và kỳ cuối (telophase). Mỗi giai đoạn có một nét đặc trưng riêng, đặc biệt là mối liên quan với tập tính của nhiễm sắc thể, nhờ đó mà ta có thể xác định chúng (hình 3.8 và 3.9). Sau khi tự nhân đôi ở kỳ trung gian (cụ thể là pha S) và hoàn tất việc chuẩn bị bước vào nguyên phân (pha G 2 ), lúc này các nhiễm sắc thể tiếp tục đóng xoắn và kết đặc, nhờ vậy chúng hiện rõ dần dưới kính hiển vi quang học. Mỗi nhiễm sắc thể bây giờ gồm hai chromatid chị em (sister chromatids) dính nhau ở tâm động. Theo nguyên tắc, các chromatid này hoàn toàn giống nhau do kết quả của sự tái bản bán bảo toàn DNA ở pha S (chương 5). Hơn nữa, vì hai chromatid chị em dính nhau tại vùng tâm động, nên chúng được xem là một nhiễm sắc thể. a b c d e f g h Hình 3.9 Các giai đoạn của quá trình nguyên phân ở một tế bào chóp rễ hành tây (Allium cepa). 2.1. Kỳ trước (prophase) Cũng trong giai đoạn này, hạch nhân (nucleolus) thường biến mất và màng nhân bắt đầu tan vỡ. Trung thể (centriole) phân chia và hình thành xung quanh nó một cấu trúc mới gồm rất nhiều sợi thoi (spindle fiber) trải dài tới các cực của tế bào. Một số sợi thoi đính trực tiếp vào tâm động (cụ thể là kinetochore) của nhiễm sắc thể. 2.2. Kỳ giữa (metaphase) Vào kỳ giữa, màng nhân tan biến hoàn toàn, các sợi thoi đính vào tâm động của các nhiễm sắc thể và đẩy chúng về mặt phẳng xích đạo (equatorial plane) của tế bào và xếp thành một vòng. Nói chung, lúc này các nhiễm sắc thể đóng xoắn cực đại (nghĩa là chiều dài rút ngắn tối đa và do đó đường kính cũng nở ra tối đa), với cấu trúc điển hình đặc trưng cho từng loài. Do đó, kỳ giữa là thời điểm thuận lợi nhất cho việc thiết lập các kiểu nhân và nghiên cứu hình thái học các nhiễm sắc thể như đã nói ở trên. 2.3. Kỳ sau (anaphase) Vào đầu kỳ sau, tại mỗi nhiễm sắc thể xảy ra sự phân tách tâm động, các chromatid chị em bây giờ rời nhau và được gọi là các nhiễm sắc thể con (daughter chromosomes). Kế đó, các sợi thoi co rút và gây ra sự chuyển động của các nhiễm sắc thể con giống nhau về hai cực đối diện. Nếu nhìn dưới kính hiển vi lúc này, ta thấy nhiễm sắc thể xuất hiện dưới dạng chữ V, J hoặc I, tùy theo kiểu tâm giữa, tâm đầu hay tâm mút. Như vậy, chính sự sắp xếp thành một vòng của các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa và sự phân ly đồng đều của chúng về hai cực ở kỳ sau làm thành bản chất hay là quy luật đặc trưng cho quá trình nguyên phân. 2.4. Kỳ cuối (telophase) Vào kỳ cuối, hai bộ nhiễm sắc thể con đã về tới các cực đối diện và bắt đầu mở xoắn. Lúc này màng nhân xuất hiện trở lại và bao bọc các bộ nhiễm sắc thể; các sợi thoi tan biến, hạch nhân và các nhân được hình thành trở lại. Kế đó, ở động vật, màng tế bào hình thành một eo thắt (furrow) từ ngoài vào trong; ở thực vật, một phiến tế bào (cell plate) phát triển từ trung tâm ra ngoài. Điều này làm phân cách hai bộ nhiễm sắc thể con và tế bào chất giữa hai tế bào con. Các tế bào con có số lượng nhiễm sắc thể giống với tế bào ban đầu. Như vậy, thực ra, nguyên phân gồm hai quá trình phân chia: phân chia nhân (karyokinesis) và phân chia tế bào chất (cytokinesis); nhưng thực chất của nguyên phân là sự phân chia nhân. Hình thái học nhiễm sắc thể eukaryote Để tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc và chức năng của các nhiễm sắc thể, ta cần phải phân biệt giữa các nhiễm sắc thể khác nhau về các điểm sau đây. 1. Kích thước nhiễm sắc thể Kích thước các nhiễm sắc thể sai khác nhau rất lớn. Giữa các loài khác nhau sự sai khác này có thể lên tới hơn 100 lần, trong khi một số nhiễm sắc thể trong một loài có kích thước hơn kém nhau khoảng 10 lần. (a) (b) Hình 3.2 (a) Bộ nhiễm sắc thể được xử lý bằng thuốc nhuộm phổ biến Giemsa; và (b) xác định các đặc điểm của một nhiễm sắc thể. Để mô tả bộ nhiễm sắc thể của một loài và xác định các nhiễm sắc thể của nó, cần phải thiết lập kiểu nhân (karyotype) và và sử dụng một hệ thống các quy ước dựa trên kích thước của chúng, vị trí tâm động, và các kiểu băng (các hình 3.2 và 3.5). Theo truyền thống, người ta sử dụng kỹ thuật hiện băng (ví dụ băng G ở hình 3.2; xem thêm mục 3) và chụp ảnh các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa của nguyên phân, gọi là phương pháp kỳ giữa. Sau đó phóng đại ảnh, cắt rời từng chiếc (gồm hai chromatid chị em) và sắp thành từng cặp tương đồng (vai ngắn quay lên trên và vai dài hướng xuống dưới), rồi xếp theo thứ tự nhỏ dần về kích thước và đánh số từ lớn nhất đến nhỏ nhất. Chẳng hạn, đối với người (xem các hình 3.3 và 3.5): (i) các nhiễm sắc thể không phải giới tính gọi là nhiễm sắc thể thường (autosome) được đánh số từ 1 đến 22 trên cơ sở chiều dài, còn các nhiễm sắc thể giới tính X và Y được tách riêng. (ii) Vai ngắn của nhiễm sắc thể được biểu thị bằng p và vai dài bằng q dựa trên vị trí của tâm động. (iii) mỗi vai trước tiên được chia thành các vùng và sau đó được xác định bằng các băng. Ví dụ, ký hiệu 9q34 có nghĩa là vai dài của nhiễm sắc thể số 9, vùng 3, và băng 4. Đây là nơi khu trú của gene xác định hệ nhóm máu ABO. Hình 3.3 Bộ nhiễm sắc thể người được thiết lập bằng phương pháp mới - kiểu nhân phổ (spectral karyotype). Nguồn: Schrock và cs (1996). Gần đây, Schrock và cs (1996) đã giới thiệu các phương pháp thiết lập kiểu nhân mới sử dụng các thuốc nhuộm huỳnh quang có khả năng bám vào các vùng đặc thù của các nhiễm sắc thể, gọi là thiết lập kiểu nhân phổ (spectral karyotyping; Hình 3.3). Bằng cách sử dụng một loạt các vật dò (probes) đặc thù có hàm lượng các thuốc nhuộm khác biệt, các cặp nhiễm sắc thể khác nhau sẽ có các đặc trưng phổ riêng. Một đăc điểm dộc đáo của công nghệ này là sự sử dụng một nhiễu kế (interferometer) giống như các nhà thiên văn dùng để đo quang phổ phát ra từ các vì sao. Công nghệ này cho phép phát hiện các biến đổi nhẹ về màu sắc (mà mắt thường chúng ta không thể phát hiện) bằng chương trình máy tính rồi sau đó phân loại từng cặp nhiễm sắc thể theo các màu sắc khác nhau. Việc sắp xếp các nhiễm sắc thể theo từng cặp rất đơn giản vì các cặp tương đồng thì có cùng màu như nhau, và các sai hình hoặc các trao đổi chéo có thể nhận biết được một cách dễ dàng hơn. 2. Tâm động và các kiểu nhiễm sắc thể Các nhiễm sắc thể thường khác nhau về vị trí tâm động (centromere), là nơi mà các sợi thoi bám vào trong quá trình phân bào (hình 3.4). Thường thì mỗi nhiễm sắc thể chỉ có một eo thắt lớn chứa một tâm động gọi là eo sơ cấp (primary constriction). (Thuật ngữ kinetochore dùng để chỉ cấu trúc protein bao quanh vùng tâm động). Nói chung, có ba kiểu nhiễm sắc thể chính: nếu tâm động nằm gần chính giữa, gọi là nhiễm sắc thể tâm giữa (metacentric); nếu tâm động nằm lệch về một đầu, gọi là nhiễm sắc thể tâm đầu (acrocentric); và nếu tâm động ở gần sát đầu mút, gọi là nhiễm sắc thể tâm mút (telocentric). Nói cách khác, tâm động chia nhiễm sắc thể thành hai vai hay cánh (arms) dài ngắn khác nhau; chẳng hạn, trong khi nhiễm sắc thể tâm giữa có hai vai gần như bằng nhau, thì nhiễm sắc thể tâm lệch có một vai ngắn và một vai dài. Các kết quả nghiên cứu cho thấy ở chuột nhà tất cả 40 cặp nhiễm sắc thể đều thuộc kiểu tâm giữa, trong khi ở bộ nhiễm sắc thể người gồm hai kiểu tâm giữa và tâm đầu, không có kiểu tâm mút (hình 3.3). Ngoài eo sơ cấp, trên một số nhiễm sắc thể cụ thể còn có thể có eo thứ cấp (secondary constriction), và nếu eo này ở gần đầu mút và xảy ra sự thắt sâu sẽ tạo nên một vệ tinh (satellite) của nhiễm sắc thể (ở người, đó là các nhiễm sắc thể 13, 14, 15, 21 và 22; xem hình 3.5b). Eo thứ cấp thường chứa các gene tổng hợp các RNA ribosome, tích tụ tạm thời và hình thành nên tổ chức gọi là hạch nhân (nucleolus); nó có mặt trong nhân (nucleus) ở một số giai đọan khác nhau của sự phân bào. Hai đầu mút của mỗi nhiễm sắc thể eukaryote có cấu trúc đặc biệt gọi là telomere (sẽ được thảo luận ở chương 5) và thường có trình tự DNA khác với phần còn lại của nhiễm sắc thể. (a) (b) Hình 3.4 (a) Một cặp nhiễm sắc thể tương đồng kiểu tâm đầu ở kỳ giữa. (b) Mỗi chiếc lấy ra từ nhân kỳ giữa gồm hai chromatid chị em dính nhau ở tâm động, gọi là bộ đôi (dyad) và có các đầu mút đặc trưng gọi là telomere. 3. Các kiểu băng nhiễm sắc thể (chromosomal bands) Người ta có thể xác định các vùng khác nhau trên các nhiễm sắc thể bằng các kỹ thuật hiện băng (band techniques) có xử lý các hóa chất khác nhau, như các băng G, Q và R (tương ứng là Giemsa, quinacrine và reverse bands- băng đảo ngược) (xem Verma và Babu 1995). Thực ra, thuật ngữ chromosome (= chromo: màu + soma: thể) theo nghĩa đen có nghĩa là "thể bắt màu". Các kỹ thuật sử dụng các thuốc nhuộm khác nhau để xác định các vùng của nhiễm sắc thể nào đó làm hiện ra các vạch, dải hay băng (bands) có độ đậm nhạt, sáng tối hoặc hiển thị bằng các màu khác nhau. Chẳng hạn, các băng sẫm hơn thường xuất hiện ở gần tâm động hoặc ở các đầu mút (telomeres) của các nhiễm sắc thể, trong khi các vùng khác bắt màu yếu hơn nên nhạt hơn. Các vùng bắt màu đậm gọi là chất dị nhiễm sắcchất đồng nhiễm sắcbiểu đồ nhiễm sắc thể (idogram) người. (heterchromatin) và các vùng bắt màu nhạt gọi là (euchromatin). Nói chung, các vùng đặc trưng này được duy trì ổn định trong các tế bào hay các cá thể khác nhau của một loài và do đó chúng tỏ ra hữu ích cho việc xác định các nhiễm sắc thể cụ thể. Hình 3.5 trình bày kiểu nhân và (a) (b) Hình 3.5 (a) Kiểu nhân, và (b) biểu đồ nhiễm sắc thể người. Các vùng euchromatin thường trải qua một chu kỳ đóng và mở xoắn đều đặn, tương ứng với sự hoạt động của hầu hết các gene khu trú trên đó. Các vùng heterochromatin gồm hai kiểu: ổn định (constitutive) và không ổn định (facultative). Heterochromatin ổn định, tức là phần cố định của bộ gene và không biến đổi được thành euchromatin; chúng được coi là bất hoạt về mặt di truyền. Ngược lại, heterochromatin không ổn định bao gồm cả euchromatin là những vùng bắt giữ màu và cô đặc (theo nghĩa đóng xoắn chặt) đặc trưng của euchromatin trong một số giai đoạn phát triển; hay nói cách khác, đó thực chất là các vùng euchromatin nhưng chỉ biến đổi thành heterochromatin trong kỳ trung gian (interphase) ở một số mô. Trên thực tế, người ta còn phát hiện một số dạng nhiễm sắc thể đặc biệt có kích thước khổng lồ, như: (i) các nhiễm sắc thể kiểu chổi lông hay bàn chải đèn (lampbrush chromosomes) bắt gặp trong noãn bào sơ cấp của động vật có xương sống (có thể dài tới 1mm như ở lưỡng thê có đuôi); và (ii) các nhiễm sắc thể đa sợi (polytene chromosomes) có mặt trong nhân tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng bộ hai cánh (Diptera). (a) (b) Hình 3.6 (a) Nhiễm sắc thể khổng lồ trong một nhân tế bào truyến nước bọt của ấu trùng D. melanogaster, và (b) cấu trúc chi tiết của nhiễm sắc thể X được tách làm hai nửa, mỗi nửa có 10 vùng và mỗi vùng bắt đầu bằng một băng màu đậm. Chẳng hạn, ở ruồi giấm D. melanogaster, các nhiễm sắc thể đa sợi này sinh ra do hiện tượng nội nguyên phân (endomitosis), tức các nhiễm sắc thể tự nhân đôi liên tiếp cả chục lần nhưng tế bào không phân chia và hầu như ở trạng thái mở xoắn. Vì vậy chúng có thể chứa tới cả ngàn sợi chromatid dính nhau trong một bó, với chiều dài hơn100 lần so với các nhiễm sắc thể bình thường (hình 3.6). Và đã xác định được tất cả là 102 vùng, với hơn 5.000 băng. Riêng một mình nhiễm sắc thể X (tức nhiễm sắc thể số 1) có 20 vùng được đánh số từ 1 đến 20, với hơn 1.000 băng. Ở hình 3.7b cho thấy nó là nhiễm sắc thể tâm mút, có tâm động ở vùng 20 nằm sát đầu mút bên phải của nửa dưới, và gene gây ra mắt trắng nằm gần đầu mút bên trái ở vùng 3 thuộc nửa trên. . 1. Chu kỳ tế bào (cell cycle) Quá trình nguyên phân lặp lại theo chu kỳ như vậy được gọi là chu kỳ nguyên phân hay chu kỳ tế bào (cell cycle). Nguyên phân là một phần của toàn bộ chu kỳ tế bào. Sinh học tế bào ( phần 33 ) Chu kỳ tế bào và nguyên phân Nguyên phân (mitosis) là quá trình phân chia tế bào trong đó các tế bào con được tạo ra có số lượng nhiễm sắc thể giống với các tế. nguyên phân (ký hiệu: M), là một phần tương đối nhỏ của toàn bộ chu kỳ (a) (b) Hình 3.7 (a) Sự phân chia của các tế bào chóp rễ hành tây (Allium cepa). (b) Sơ đồ tổng quát của một chu kỳ tế bào.